De huidige methode voor het vervaardigen van koolstofnanobuisjes - in wezen opgerolde vellen grafeen - is niet in staat om volledige controle over hun diameter mogelijk te maken, lengte en soort. Dit probleem is onlangs opgelost voor twee van de drie verschillende soorten nanobuisjes, maar de derde soort, bekend als 'zigzag' nanobuisjes, buiten bereik was gebleven. Onderzoekers van de Japanse National Institutes of Natural Sciences (NINS) hebben nu ontdekt hoe ze de zigzagvariëteit kunnen synthetiseren.

Hun methode wordt beschreven in het tijdschrift Natuurchemie , gepubliceerd op 25 januari.

Dankzij het unieke vermogen van koolstof om te combineren met andere atomen om moleculen te vormen, wanneer het zich met zichzelf verenigt, het kan dit op veel structureel verschillende manieren doen (zoals diamanten en grafiet) met verschillende eigenschappen. In de afgelopen decennia, vormen zoals grafeen - een laag koolstof van één atoom dik gevormd uit een hexagonaal honingraatachtig rooster - zijn geproduceerd. Een andere van deze verschillende vormen, of 'allotropen, ' die kan worden geproduceerd, is een holle cilinder van grafeen die bekend staat als een nanobuis.

Als de zeshoeken van koolstof in de nanobuis samenkomen in dit honingraatrooster, ze vormen ofwel een fauteuil, zigzag- of chirale configuratie. De naam 'zigzag' wordt gebruikt voor de configuratie waarin het 'pad' van elke moleculaire binding tussen koolstofatomen eerst 60 graden naar links is gericht, dan 60 graden naar rechts, dan links 60 graden, dan weer 60 graden rechts:een zigzagpatroon. De naam 'fauteuil' beschrijft een pad dat twee keer naar links beweegt, dan twee keer goed, alvorens te herhalen. Dit pad lijkt een beetje op een fauteuil, Vandaar de naam. Een derde soort, chiraal, zit tussen deze twee vormen, samen met zijn spiegelbeeld.

Als men met een mes in staat zou zijn deze buizen tweemaal horizontaal tegen de lengteas door te snijden, men zou een 'band' van nanobuisjes kunnen maken, samengesteld uit 12 koolstof zeshoekige ringen. Zo'n riem wordt een 'nanobelt' genoemd.

Inspanningen bij de productie van deze nanobelts zijn het onderwerp geweest van veel wetenschappelijk onderzoek. Dit komt door de beperkingen van de conventionele fabricage van nanobuisjes, die een zogenaamde 'top-down'-vorm aanneemt. Top-down fabricage omvat de verpulvering van een bulkmassa koolstof tot een poeder, waarna de nanobuisjes zich willekeurig in een of meer van de drie configuratietypes vormen.

"Het probleem hier is dat je niet kunt bepalen welk configuratietype wordt gevormd, of de diameter, of zelfs de lengte, " zei Yasutomo Segawa, van het Institute for Molecular Science bij NINS en corresponderende auteur voor het papier. "Maar als je van onderaf een nanobuisje kunt bouwen, uit het 'zaad' van een nanobelt, dan beheers je al deze drie aspecten."

Eerder onderzoek in 2019 had fauteuils en chirale nanobanden kunnen produceren, maar niet het derde type - de zigzag.

En nu voor het eerst de onderzoekers konden een zigzag nanobelt vormen. De sleutel tot de nanobelt-synthesestrategie was de overbrugging van de hexagonale ringen door een zuurstofatoom (de toevoeging van een oxanorbornadieen-eenheid). Ze waren vervolgens in staat om röntgenkristallografie te gebruiken om te bevestigen dat deze structuur, die door theoretische berekeningen was voorspeld, vormde zich inderdaad in de echte wereld.

Met deze derde nanobelt-synthese, alle drie de soorten nanobuisjes:fauteuil, chiraal, en zigzag—zijn in principe nu beschikbaar. Dit is een grote stap in de richting van de bottom-up synthese van op bestelling gemaakte koolstofnanobuisjes.

De volgende stap is om dit proof-of-concept door te voeren naar daadwerkelijke structuurselectieve bottom-up synthese van koolstofnanobuisjes, door de synthese van koolstofnanobuisjes te gebruiken met hun nanobanden als zaden.